Ученые впервые измерили плотность вещества вокруг сливающихся черных дыр

Международная группа астрофизиков использовала данные гравитационно-волновых обсерваторий, чтобы в буквальном смысле «увидеть» структуру галактических центров, скрытую от прямого наблюдения. Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, не только подтверждают существование чрезвычайно плотной материи вокруг сливающихся сверхмассивных черных дыр, но и указывают на то, что плотность этой среды составляет порядка миллиона солнечных масс на кубический парсек.

Ученые проанализировали данные гравитационно-волнового фона, зафиксированного такими коллаборациями, как NANOGrav с помощью метода пульсарного тайминга (PTA). Этот метод использует миллисекундные пульсары в качестве сверхточных космических часов, позволяя детектировать наногерцевые гравитационные волны. Обнаруженный фон представляет собой совокупный сигнал от миллионов сливающихся пар сверхмассивных черных дыр по всей Вселенной. Однако в самой низкочастотной части спектра ученые заметили неожиданный изгиб, который не укладывался в теоретические модели, предсказывающие эволюцию этих объектов исключительно за счет излучения гравитационных волн.

Как объяснил первый автор исследования, доцент Шанхайского университета Цзяо Тун Ифань Чэнь, этот изгиб указывает на влияние окружающей среды. На ранних стадиях сближения, задолго до финальной вспышки слияния, которую фиксируют детекторы вроде LIGO, на движение черных дыр активно воздействуют звезды и частицы темной материи, находящиеся в галактическом ядре. Команда исследователей предположила, что ключевым механизмом здесь являются гравитационные трехтельные взаимодействия. Образно говоря, сближающиеся черные дыры действуют как гигантская праща: пролетающие мимо звезды или частицы темной материи получают гравитационный «пинок», ускоряясь и улетая прочь, но при этом они отнимают часть орбитальной энергии у бинарной системы, заставляя ее сжиматься быстрее.

Сравнив свои модели с 15-летними наблюдениями коллаборации NANOGrav, ученые смогли не только подтвердить наличие этого механизма, но и впервые оценить плотность вещества в окрестностях сливающихся черных дыр. Оказалось, что наиболее вероятная плотность составляет около 10⁶ солнечных масс на кубический парсек. Примечательно, что это значение хорошо согласуется с прямыми электромагнитными наблюдениями центров ближайших галактик — Млечного Пути и M87. Это говорит в пользу того, что выявленные эффекты реальны, а не являются следствием экзотических процессов. При этом анализ данных не подтверждает гипотезу о существовании очень крутых, острых «пиков» темной материи, отдавая предпочтение более плавным распределениям.

Полученные результаты также проливают свет на так называемую «проблему последнего парсека» — давний вопрос астрофизики о том, как черные дыры преодолевают финальное расстояние и сливаются, если только излучение гравитационных волн для этого слишком медленно. Механизм выброса звезд и материи дает необходимое объяснение этого процесса. Хотя авторы работы признают, что наблюдаемый изгиб спектра отчасти может быть объяснен и высокоэллиптическими орбитами двойных систем, такой сценарий потребовал бы экстремальных значений эксцентриситета, что маловероятно для большинства объектов. Дальнейшие наблюдения с помощью новых поколений радиотелескопов, таких как FAST и Square Kilometer Array, позволят снять остающиеся неопределенности и помогут отличить влияние звезд от влияния темной материи на пути развития Вселенной.